Czujniki radarowe mogą sprostać tym wyzwaniom, wykrywając ruchome i nieruchome cele w różnych warunkach otoczenia. Ten artykuł przedstawia przegląd sytuacji, w których radary mogą mieć przewagę nad innymi opcjami. Omówiono w nim kilka typów czujników radarowych firmy Banner Engineering, ich zastosowania oraz kwestie projektowe, o których należy pamiętać przy doborze czujnika.

Dlaczego warto używać czujników radarowych?

Radar cechuje się odpornością na deszcz, kurz oraz inne unoszące się w powietrzu substancje. Funkcjonuje równie skutecznie w jasnych, jak i ciemnych pomieszczeniach, a zmiany temperatury oraz wiatr nie wpływają na jego działanie. Radar może wykrywać powierzchnie o różnorodnych wykończeniach, kształtach i barwach, a także przenikać przez materiały nieprzewodzące, co pozwala czujnikom radarowym na wgląd do wnętrza pojemników.

Ponadto radar może być używany na stosunkowo dużych odległościach, a jednocześnie jest odporny na przesłuchy, co daje mu przewagę w zastosowaniach krótkiego zasięgu, w których czujniki znajdują się blisko siebie.

Jak działa radar

Radar działa na zasadzie odbicia fal elektromagnetycznych od obiektów docelowych, a następnie określenia odległości na podstawie czasu potrzebnego na powrót sygnału. Czujniki radarowe bazują na dwóch kluczowych technologiach: fal ciągłych o modulowanej częstotliwości (FMCW) oraz radaru impulsowego koherentnego (PCR).

Radar FMCW wysyła ciągły strumień fal radiowych, co pozwala na stałe śledzenie zarówno obiektów w ruchu, jak i nieruchomych. Czujniki PCR wysyłają fale radiowe w postaci impulsów, zazwyczaj korzystając z nadajników niskiej mocy. Sprawia to, że czujniki PCR lepiej nadają się do zastosowań krótkiego zasięgu.

Na zasięg i czułość materiałową duży wpływ ma również częstotliwość robocza. Niższe częstotliwości doskonale sprawdzają się w detekcji na dużą odległość i świetnie współpracują z materiałami o wysokich stałych dielektrycznych, takimi jak metale i woda. Wyższe częstotliwości zapewniają większą dokładność i lepiej nadają się do wykrywania mniejszych obiektów oraz różnorodnych materiałów.

Charakterystyki kierunkowości i strefy pomiaru

Czujniki radarowe można zoptymalizować, aby koncentrowały się na wybranych obszarach i śledziły jeden lub więcej obiektów. Kluczowe parametry obejmują charakterystykę kierunkowości, strefy pomiaru i strefy martwe.

Czujniki radarowe emitują fale radiowe o określonej charakterystyce kierunkowości, zdefiniowanej przez kąty poziome i pionowe. Wąskie charakterystyki kierunkowości wiązki zapewniają precyzyjne wykrywanie i większy zasięg, podczas gdy szerokie charakterystyki kierunkowości wiązki pokrywają większe obszary i lepiej wykrywają obiekty o nieregularnych kształtach.

Wiele czujników radarowych pozwala na konfigurowanie wielu stref pomiarowych w obrębie charakterystyki kierunkowości wiązki. Ta funkcja pozwala na bardziej złożone scenariusze wykrywania, takie jak ustawianie różnych parametrów dla stref bliskich i dalekich w zastosowaniach związanych z unikaniem kolizji.

Martwa strefa to obszar bezpośrednio przed czujnikiem, w którym detekcja jest niepewna. Czujniki o wyższej częstotliwości mają zazwyczaj krótsze strefy martwe.

Dobór optymalnego czujnika radarowego: zacznij od podstaw

Istnieje wiele czynników, które należy wziąć pod uwagę przy doborze czujnika radarowego. Oprócz podstawowych parametrów działania, czujniki radarowe posiadają różne cechy wpływające na ich cenę, trwałość oraz wygodę użytkowania. Ilustracja 1 przedstawia schemat blokowy ilustrujący niektóre z tych punktów decyzyjnych na przykładzie czujników radarowych firmy Banner Engineering.

Ilustracja 1: schemat blokowy ilustrujący proces doboru czujnika radarowego. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Dobrym punktem wyjścia jest seria Q90R firmy Banner Engineering. Te czujniki wykorzystują technologię fali ciągłej o modulowanej częstotliwości (FMCW) i działają na częstotliwości 60GHz, oferując balans pomiędzy zasięgiem, dokładnością i możliwościami wykrywania materiałów. Mają one zasięg wykrywania od 0,15m do 20m, martwą strefę 150mm i dwie konfigurowane strefy wykrywania.

Przykładem wykorzystania tych czujników jest monitorowanie momentu przyjazdu ciężarówek do doku załadunkowego. W tym przypadku stosunkowo szeroka charakterystyka kierunkowości wiązki 40° x 40° ułatwia znalezienie miejsca montażu, które zapewnia widoczność doku.

Urządzenie Q90R2-12040-6KDQ (ilustracja 2) wykorzystuje te możliwości dzięki szerokiemu, konfigurowalnemu polu widzenia (120° x 40°) i możliwości śledzenia dwóch celów, co pozwala im radzić sobie z bardziej złożonymi scenariuszami pomiarowymi.

Ilustracja 2: czujnik radarowy z falą ciągłą o modulowanej częstotliwości (FMCW) Q90R2-12040-6KDQ działa na częstotliwości 60GHz, może śledzić dwa cele i ma szerokie, konfigurowane pole widzenia. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Wybór radaru do zastosowań z wąską wiązką

W niektórych zastosowaniach radar musi wykryć mały cel. W tym przypadku dobrym wyborem jest czujnik z serii T30R (ilustracja 3). Czujniki te mają charakterystykę kierunkowości wiązki 15° x 15° lub 45° x 45°, częstotliwość roboczą 122GHz, zasięg wykrywania 25m, martwą strefę 100mm i dwie konfigurowane strefy wykrywania.

Dzięki wąskiej charakterystyce kierunkowości wiązki i wysokiej częstotliwości roboczej ta grupa czujników oferuje precyzyjne wykrywanie w określonych obszarach. Na przykład można je stosować do śledzenia poziomów w wąskich pojemnikach.

Ilustracja 3: seria T30R pracuje na częstotliwości 122 GHz, ma wiązkę 15° x 15° i zapewnia precyzyjną detekcję. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Wersja T30RW jest dostarczana w obudowie IP69K odpowiedniej do środowisk, w których panuje wysokie ciśnienie i wysoka temperatura, takich jak myjnie samochodowe. Jej zasięg wykrywania wynosi 15 m, a charakterystyka kierunkowości wiązki to 15° x 15°.

Dobór czujnika radarowego do zastosowań wizualnej informacji zwrotnej

Chociaż czujniki radarowe zazwyczaj są zintegrowane z większymi systemami automatyki, posiadanie wizualnego wskaźnika stanu bywa pomocne. Na przykład na stacji ładowania pojazdów elektrycznych (EV) wyświetlacz wizualny może pomóc kierowcom w prawidłowym ustawieniu pojazdów.

W przypadku takich zastosowań wbudowane diody LED urządzeń z serii K50R odgrywają cenną rolę.

Na szczególną uwagę zasługują modele Pro, takie jak K50RPF-8060-LDQ (ilustracja 4), które posiadają kolorowy, łatwy w interpretacji wyświetlacz.

Ilustracja 4: czujnik K50RPF-8060-LDQ posiada diody LED zapewniające wizualne informacje zwrotne. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Kluczowe specyfikacje serii K50R obejmują częstotliwość roboczą 60GHz, zasięg wykrywania 5m, martwą strefę 50mm, dwie konfigurowane strefy wykrywania oraz charakterystyki kierunkowości wiązki 80° x 60° lub 40° x 30°.

Wybór czujnika radarowego dalekiego zasięgu

W przypadku zastosowań wymagających wykrywania na większe odległości często najlepszym wyborem jest radar działający na częstotliwości 24GHz. Urządzenia o niższej częstotliwości, na przykład z serii QT50R, mają zasięg wykrywania wynoszący 25 m, który jest przydatny w takich zastosowaniach, jak zapobieganie kolizjom przez urządzenia samojezdne. Seria ta posiada również jedną lub dwie konfigurowane strefy wykrywania oraz charakterystykę kierunkowości wiązki 90° x 76°. Jej martwa strefa mierzy 400 mm dla obiektów ruchomych i 1000 mm dla obiektów nieruchomych.

Godną uwagi cechą urządzeń QT50R jest możliwość konfiguracji za pomocą przełączników DIP. Umożliwia to prostą konfigurację w terenie. Niektóre zastosowania wymagają jednak bardziej zaawansowanych konfiguracji.

Na przykład czujnik Q130R (ilustracja 5) jest przeznaczony do zastosowań wymagających zaawansowanych możliwości wykrywania i zaawansowanych opcji konfiguracji. Działa on na częstotliwości 24GHz, ma zasięg 40 m, charakterystykę kierunkowości wiązki 90° x 76° lub 24° x 50°, martwą strefę 1000 mm oraz zapewnia dokładne wykrywanie ruchomych i nieruchomych obiektów.

Ilustracja 5: czujnik radarowy Q130R jest przeznaczony do zastosowań wymagających zaawansowanych możliwości detekcji oraz zapewnia dokładne wykrywanie obiektów ruchomych i nieruchomych. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Warto zauważyć, że do kompleksowej konfiguracji i dostrajania urządzenie Q130R wykorzystuje graficzny interfejs użytkownika (GUI) oparty na komputerze PC. Na przykład można go wykorzystać jako źródło sygnałów zwrotnych pozycji na rozrządowych stacjach kolejowych o dużym ruchu. W tym przypadku czujnik można ustawić tak, aby pomijał pociągi stojące na jednym torze w tle, jednocześnie rozpoznając inne pociągi przed nim przejeżdżające.

Podsumowanie

Czujniki radarowe doskonale radzą sobie w różnorodnych i wymagających warunkach środowiskowych. Aby zmaksymalizować korzyści płynące z technologii radarowej, konieczne jest przeanalizowanie wymagań zastosowania i wybranie czujnika o odpowiedniej częstotliwości roboczej i charakterystyce kierunkowości wiązki, a także innych specyfikacji. Dobrze dobrane rozwiązanie radarowe pozwala sprostać różnorodnym wymagającym zastosowaniom zdalnego pomiaru.

Źródło: Dobór i stosowanie rozwiązań radarowych do pomiarów w trudnych warunkach środowiskowych

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 6 marca 2025. Zapisz się tutaj!